化粧品の評価・開発に資する微小な力を検知する水溶性の分子集合体の開発
北海道大学電子科学研究所

相良剛光

Molecular assembled materials that change emission properties in response to tiny mechanical forces are valuable todevelop various cosmetic products. In this study, we developed a green-emissive, one-dimensional supramolecular fiber
consisting of fluorescence dumbbell-shaped amphiphile 1 having 9 , 10 -bis(phenylethynyl)anthracene as the emission core.
Mechanical grinding leads to emission color change from green to yellow on glass substrates under ambient condition. Theemission spectrum shows a further red-shift when the ground sample was exposed to water vapor. Interestingly, the green
fluorescence recovers after exposure to methanol vapor. Emission lifetime measurements and steady-state spectroscopic
measurements reveal that the observed color change from green to yellow is ascribed to mechanical stimuli-induced
excimer formation between the fluorescent cores. Infrared spectroscopic measurements clarified the amide groups areinvolved in hydrogen bonding and closer inspection revealed that a peak corresponding to C=O stretching becomes broad
after mechanical grinding, which suggested that a linear hydrogen-bonds become disordered ones upon grinding. Onedimensional linear supramolecular fibers with width of ca. 5 nm were observed in transmission electron microscope images
for the initial samples, while micellar structures were found to attach the both edges of short fibrous structures for groundsamples. These results indicated that mechanical stimuli cut the supramolecular fiber and the micellar molecular assemblies
form at the cut positions. The emission cores never form excimer in the initial fibers. In contrast, excimer should form in
the mechanical stimuli-induced micellar molecular assemblies. Because the green-emissive fibers do not dissolve in water,
we searched suitable amphiphilic molecular structures. Though we were not able to find the best amphiphiles, correlation
between the dendritic structures and the molecular assembled structures in water have been partially clarified.

1. 緒ある。

言

我々はこれまでに、約 15 ～ 20 個の両親媒性分子で構成

化粧品は成熟した人類社会ではなくてはならないものでされる水溶性の繭状分子集合体を設計・開発し、水中でそあり、化粧品市場がさらに拡大することが容易に想像できの繭状分子集合体が機械的刺激を受けて内部の蛍光部位のる。市場の拡大と共に化粧品に求められるのは、より安全集積構造が変化し、蛍光スペクトルが短波長シフトするこで、高機能な化粧品であることは言うまでもない。そのよとを見出している 3）。この繭状分子集合体は市販のリンカ

うな最先端の化粧品開発において重要であるのは、その機ー化合物を用いることで、表面にアミノ基を持つガラスや能評価である。化粧品を肌に塗布する際には機械的刺激がポリマー材料、さらには生細胞に共有結合を介して導入す発生しているが、印加される機械的刺激を細胞レベルで評ることができ、十分な力がガラスやポリマー材料に印加さ価することは極めて難しい。

れると繭状分子集合体の発光色が変化することが確認でき

本研究では、きわめて小さい力を鋭敏に検出できる親水た。しかし、この繭状分子集合体が機械的刺激に応答して性かつ蛍光性の分子集合体を開発することを目指している。

示す蛍光スペクトル変化は非常に小さく、そのため生細胞近年、機械的な刺激により蛍光色が変化する有機分子集合にかかる力を正確に評価できなかった。

1）体の報告例が、我々の報告に端を発し 、世界的に増えてそこで本研究課題では、先行研究の結果を踏まえ、よりいる 2）。観察される蛍光色変化は、機械的な刺激により蛍大きな蛍光色変化を示し、生細胞に作用する機械的刺激を光団の共有結合が切断されることが原因ではなく、材料内鋭敏に検出することができる水溶性の分子集合体を創製すの蛍光団の集積構造が変化することで達成されている。こることを目指した。のような材料は、比較的大きな力を必要とする共有結合の2. 方切断を伴わずに蛍光色変化を達成できるため、皮膚に印加される微小な力を評価・可視化する際には、とても有望で

法

2 . 1. 両親媒性分子１の合成
先行研究 3）において開発した両親媒性分子は、1 , 6 -bis

Development of water-soluble molecularassemblies that detect tiny mechanicalforces to evaluate and prepare cosmetic
products
Yoshimitsu Sagara
Resea rch I nst itute for Elect ron ic
Science, Hokkaido University（phenylethynyl）pyrene を発光部位として持ち、水溶性のデンドロン構造がアミド基を介して二つ導入された分子構造となっている。そこで、本研究では発光部位を 9 , 10 bis（phenylethynyl）anthracene 骨格に変更し、先行研究と同じデンドロンを蛍光団の長軸方向ではなく、60 °ねじれた位置に導入した新規の両親媒性分子１を設計・合成し− 24 −

化粧品の評価・開発に資する微小な力を検知する水溶性の分子集合体の開発

図1

新しく合成した両親媒性分子 1 の分子骨格た（図 1）。

2 . 2 . 両親媒性分子１の機械的刺激に対する応答性評
価
新しく設計・合成した両親媒性化合物 1 が示す刺激応答発光特性をバルクの状態で調べた。図 2 に外部刺激に応答して 1 の発光色が変化する様子を示す。
化合物 1 は 365 nm の励起光照射下、初期状態では緑色の発光を示す。これをスパチュラなどでこすると発光色が黄色に変化する。この発光色変化は、先行研究の繭状分子集合体が示した応答特性とは全く異なり、長波長側にシフ

図 2 化合物 1 が固相で示す、外部刺激に応答して発光色が変化する様子トしていることがわかった（先行研究では短波長シフト）。
さらに黄色に変化した発光色は、水蒸気に曝露することで発光色が橙色まで変化する。また、面白いことに、その後メタノールの蒸気にさらすと元の緑色の発光色が回復する。
一方で、初期状態のサンプルを機械的刺激を印加せずに水蒸気にさらしても発光色変化は観察されない。橙色の発光色を得るには最初に機械的刺激を印加することが必要要件となることがわかった。
次に、固相での発光スペクトル測定を行った（図 3）。機械的刺激を印加する前は 537 nm にピークを持つスペクトルが観察される。一方で、機械的刺激を印加すると、発光スペクトルは大きく長波長シフトし、そのスペクトルの形状はブロードとなった。これは機械的刺激を印加されて、発光部位がエキシマーを形成できるようになったことを示唆している。さらに水蒸気にさらすと、蛍光スペクトルがより長波長側にシフトすることがわかった。一方でメタノ− 25 −図3

化合物 1 の固相での発光スペクトル変化

コスメトロジー研究報告 Vol.27, 2019

ール蒸気にさらした後は蛍光スペクトルが大きく短波長シフトし、機械的刺激を印加する前のスペクトルと同じ波長領域に観察されるようになった。
機械的刺激を印加したのちに得られる発光色が発光部位のエキシマー形成に起因しているかどうかを確かめるため、蛍光寿命測定を行った。溶液及び固相で機械的刺激を印加する前後の減衰曲線を図４に示す。クロロホルムとメタノールの混合溶媒（混合比 1：1）中では 2 . 9 ns の単一成分が観察される（黒線）。一方で固相での減衰曲線は溶液の減衰曲線とは大きく異なっており、それぞれ triexponential
decay function でのフィッティングを行った。機械的刺激を印加する前（緑線）では 0 . 8，2 . 9，9 . 3 ns の成分が観察され、機械的刺激を印加したのちは（黄線）、1 . 2，6 . 0，23 ns

図4

蛍光減衰曲線の寿命成分が観察される結果となった。機械的刺激を印加した後の 23 ns の成分が発光部位のエキシマーに対応していると考えられる。以上より、機械的刺激を印加した際に、発光部位がエキシマーを形成できる相関配置となった結果、発光色が緑から黄色に変化したのだと結論付けた。
さらに、化合物 1 が形成する分子集合構造中でアミド基が水素結合を形成しているかを明らかにするために、IR測定を行った。結果を図 5 に示す。固相で機械的刺激を印加する前後で 1650 cm- 1 付近にアミド基の C=O 伸縮振動に対応するピークが観察され、固相ではアミド基間で水素結合が形成されていることがわかった。しかし、そのピークの形状は機械的刺激を印加する前後で大きく異なっている。
印加前はシャープなピークが観察されるのに対して、印加後はピークがブロードニングすることがわかった。これは、機械的刺激を印加する前はリニアな水素結合が形成されていたが、機械的刺激を印加されることにより、ある程度乱図5

機械的刺激印加前後の IR スペクトルれた水素結合モードに変化したことを意味している。
化合物 1 がどのような分子集合構造を形成しているかを明らかにするために、透過型電子顕微鏡観察を行った。得られた像を図 6 に示す。均一な太さを持つファイバー状の分子集合体が観察され、このファイバーの幅はおよそ5 nm であり、これは化合物 1 の分子長とほぼ同じ大きさであった。すなわち化合物 1 は機械的刺激を印加する前は隣接する分子のアミド基間でリニアな水素結合を形成し、超分子ファイバーを形成することがわかった。さらに面白いことに、機械的刺激を印加したサンプルでは、ファイバーが切断されている箇所が著しく増加しており、切断箇所に繭状の分子集合体が形成されていることがわかった。この繭状の分子集合体は先行研究で観察されたミセル状の分子集合体とよく似ていた。先行研究では、ミセル内でエキシマーが形成されていたため、化合物 1 が切断箇所で形成する繭状の分子集合構造内でも発光部位がエキシマーを形成していると考えられる。
以上の実験事実より、機械的刺激により発光色が変化− 26 −

図6

透過型電子顕微鏡での観察結果

化粧品の評価・開発に資する微小な力を検知する水溶性の分子集合体の開発するメカニズムは次のように考えられる。化合物 1 は最初、ての分子をエキシマー形成できる相関配置に変換しなくと一次元の超分子ファイバーを形成し、そのファイバー内でも、全体としての発光色変化が達成される。つまり、化合発光部位は規則正しく並び、エキシマーは形成されず緑色

物 1 では機械的刺激に対する蛍光特性変化が増幅されるのの発光色が観察される。しかし、いったん機械的刺激が印である。スペクトル変化の大きさも、化合物 1 の方が先行加されると、ファイバーが切断されると同時に切断箇所で研究のシフト幅と比較して大きいことと併せて、1 が形成分子の再配列が起き、発光部位がエキシマーを形成できる

した緑色蛍光超分子ファイバーは、水には不溶ではあるが、相関配置となることで発光色が緑から黄色に変化したと考

機械的刺激のセンシング材料として非常に有望である。
次に、初期状態での緑色蛍光超分子ファイバーに水溶性えられる。

を付与することを目的とし、分子骨格の探索を行った。デ

2 . 3 . 構造を変えた両親媒性分子の探索

ンドロンの導入位置が重要ではないか考え、デンドロンを両親媒性分子 1 は先行研究の繭状分子集合体とは異なり、導入する位置は化合物 1 と同じとし、デンドロン構造の異一次元の超分子ファイバーを形成し、切断されることによなる分子 3 - 5 を合成したが、残念ながら緑色の発光を示

り発光色変化が達成される全く新しい特性を示す分子となす超分子ファイバーの形成は確認できず、おそらく先行研った。しかし、初期状態では水には不溶となってしまった。

究と同様に繭状の分子集合体を形成していることが考えそこで、次に化合物 1 が示す、
「機械的刺激を受けて蛍光スられる。以上の知見から 1 のデンドロンの枝分かれ構造が、ペクトルが長波長シフトする」という特性を維持したまま、緑色の蛍光色を示す超分子ファイバーの形成に重要な役割水溶性を付与することを試みた。まず、化合物 1 に導入しを担っていると考えられる。今後は、1 の分子骨格を大きた水溶性デンドロンの世代を 1 世代増やした化合物 2 の合く変更せずに、形成される超分子ファイバーに水溶性の付成を試みたが、水酸基を保護した状態のデンドロン骨格が与を目指したい。

かさ高過ぎたため、9, 10- ジブロモアントラセンとアセチ4. 総レン基を持つデンドロン構造との間の薗頭反応がうまく進括行せず、目的化合物を得ることはできなかった。そこで脂本研究では、きわめて小さい機械的刺激を検知して蛍光溶性骨格の構造やデンドロンの世代を変更した化合物 3 ～色が変化する親水性の分子集合体の開発を目指した。もし5（図 7）を設計・合成した。しかし、いずれの化合物も化鋭敏に力を検出し、大きな発光色変化を誘起できる材料が合物 1 が初期状態で形成する緑色発光を示す超分子ファイできれば、化粧品を肌に直接塗布する際に発生するきわめ

バーを形成せずに、黄色の発光を示す水溶性の分子集合体て小さい機械的刺激を、細胞レベル、さらには分子レベルを初期状態から形成してしまうことがわかった。

で可視化・評価することができるようになるのではないか

3. 考と考えている。これまでに多数の機械的刺激応答性蛍光材

察料が開発されているが、それらは疎水性の高い材料であり、両親媒性分子 1 では先行研究の分子とは異なり、初期状生体に応用することはできない。また、限られた分子数で態で緑色の蛍光色を示す超分子ファイバーを形成した。先ユニット化されていないため、蛍光色変化を誘起するため行研究の分子から、水溶性デンドロンの導入位置を変更し、に必要な力が大きかった。本研究で目指している、きわ蛍光団を変更しただけであるが、その刺激応答発光特性はめて鋭敏な機械的刺激応答性蛍光材料は、これらの課題を大きく変化した。先行研究では、分子が 15 〜 20 個程度集すべて解決することになり、化粧品を肌に塗布する際に重まり、発光部位がスタックすることでエキシマーを形成し、要な因子となっている機械的刺激の影響を製品開発の段階黄色の発光色が観察されていた。機械的刺激が印加されるで定量的に評価できるようになることが期待できる。最近と、発光団がエキシマー形成できない相関配置に置かれ、我々のグループが報告したロタキサン型超分子メカノフォ発光色が緑色となる。ここで重要な点は、先行研究では発ア 4）などと併せて、個々の細胞が生み出す力や印加される光色変化を誘起するために、繭状分子集合体を形成するす力を定量的に評価できるようになれば、化粧品を肌に塗布べての分子でエキシマー形成を阻害する必要があるといする際に起きる細胞内の様々な機械的刺激によるシグナルうことである。少しでもエキシマーサイトが残っていると、伝達を解明することができるようになり、それらの知見は、そこにエネルギー移動が起きてしまい、分子集合体からのより安全・高品質な化粧品の開発に生かされることになる。

発光色に変化は観察されない。一方で化合物 1 では、機械本研究では研究実施期間中に、先行研究の発光特性変化的刺激を受けて発光部位がエキシマーを形成していない相より、大幅に機械的刺激に対する応答性が改善された 1 次関配置から、エキシマー形成できる相関配置に変化する。

元超分子ファイバーを形成できる化合物 1 の特性評価を行

ファイバーが少しでも切断されれば、付近のエキシマーをい、そのメカニズムが解明された。残念ながら水溶性の形成していないサイトからのエネルギー移動が起き、すべ

1 次元超分子ファイバーを形成することができる化合物の− 27 −

コスメトロジー研究報告 Vol.27, 2019

図7

新しく設計・合成した両親媒性化物３- ５の分子骨格− 28 −

化粧品の評価・開発に資する微小な力を検知する水溶性の分子集合体の開発

発見には至らなかったが、デンドロン構造と分子が最初に（引用文献）形成する集合体の発光特性との相関に関する知見を多く得

1） Y. Sagara, T. Mutai, I. Yoshikawa, K. Araki, J. Am.

ることができた。引き続き、機械的刺激を受けて切断され、Chem. Soc., 129, 1520-1521（2007）; Y. Sagara, T. Kato,

発光色変化が達成されるような超分子ファイバーの創製に

Angew. Chem. Int. Ed., 47, 5175-5178（2008）．

取り組む予定である。

2） Y. Sagara, T. Kato, Nat. Chem., 1, 605-610（2009）; Y.

最後に、本研究はコスメトロジー研究振興財団の助成金

Sagara, S. Yamane, M. Mitani, C. Weder, T. Kato, Adv.

によって、はじめて推進することができました。私の研究課題を採択して頂いた財団の方々、選考委員の先生方に厚Mater., 28, 1073-1095（2016）．
3） Y. Sagara, T. Komatsu, T. Ueno, K. Hanaoka, T. Kato,く御礼申し上げます。

T. Nagano, J. Am. Chem. Soc., 136, 4273-4280（2014）．
4） Y. Sagara, M. Karman, E. Verde-Sesto, K. Matsuo, Y.
Kim, N. Tamaoki, C. Weder, J. Am. Chem. Soc., 140,
1584-1587（2018）．

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